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石墨烯傳奇-之二
發布日期:2019/9/17 15:28:08  來源:tianrong1945的個人博客  

2. 石墨烯之父的隨機漫步


既然石墨就是石墨烯重疊起來的“撲克牌”,那就意味著,石墨烯本來就存在于自然界中,存在于石墨礦石中,也就是存在于人們經常使用的鉛筆芯中。但是,要想從這一堆撲克牌中抽出一張來,卻是異常地困難,即使是抽出一小疊,也不是那么容易的。那么,如何從3維的石墨一層層剝離而得到2維的石墨烯呢?科學家們經歷了不少的困難和波折,還有許多有趣的故事穿插其中,令人既感嘆唏噓,也扼腕捧腹。


上世紀90年代初,人們已經開始對0維的碳納米球和1維的碳納米管有所研究,但尚未涉足2維的碳結構。大家都知道2維碳結構就存在于石墨中,石墨的資源在地球上是如此地豐富和普通,而人類的高科技已經到了能夠清楚地看到原子,某些條件下還可以操縱一個一個原子的水平。如果在電子顯微鏡下觀察鉛筆芯,可以清楚地看到層狀或卷曲的局部二維結構!難道我們就不能找出一個辦法,從石墨中分離出一些碳原子的薄片層,甚至于單層的“石墨烯”嗎?


1990年,一位德國物理學家,采取用石墨在另一種物質表面刮擦的方法,制造出薄到透明的石墨片,他將這種方法取名為“微機械劈離”(micromechanical cleavage)法。不過,雖然已經“薄到透明”,但還遠遠不是單層原子。


接著,哥倫比亞大學物理系的一位韓國教授菲利普·金,對單層碳原子二維晶體頗感興趣,企圖運用類似微機械劈離法,分離出石墨薄層來。2002年,菲利普·金指導他的一位中國博士學生開始研究這個課題。這位中國學生企圖用類似鉛筆寫字的方法來得到石墨烯,他花了兩年的時間,研究制造出一種極小而又便于控制的“納米鉛筆”,并用它得到了30層左右的碳原子薄層,還發現了這種薄層的一些不同尋常的性質。


正當菲利普·金等為他們“30層碳原子”的研究結果而興奮時,突然從歐洲殺出一匹黑馬:英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫的文章發表在“科學”雜志上2,宣布他們已經成功地做出了單層石墨烯!


是怎么回事呢?原來曼徹斯特大學研究小組從2000年就開始想辦法從石墨中分離石墨烯。小組的領導人是如今人們將他譽為“石墨烯之父”的 海姆教授。這位教授可不是一個等閑之輩,他是一個完全與眾不同的物理學家。我們在講述他如何用膠帶粘出諾貝爾獎的故事之前,首先給你講述他的另外幾個科研成果的故事,絕對會顛覆你頭腦中過去對“物理學家”形成的刻板形象。


安德烈·海姆(Andre Geim1958 -)的父母為德國人,但他于1958年出生于俄羅斯的索契,那是黑海邊上的一個小城,海姆的父母都是那兒的工程師。之后,海姆到莫斯科的物理學院接受高等教育,后來在俄羅斯科學院固體物理學研究院獲得博士學位,畢業在校工作三年后到英國、歐洲、丹麥、荷蘭等地繼續他的研究工作。海姆擁有荷蘭國籍,現受聘于英國曼徹斯特大學。


1-2-1:石墨烯之父海姆的“科研漫步”


之后,海姆因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”為由,與他的學生諾沃肖洛夫一起,共同獲得了2010年諾貝爾物理學獎。針對他復雜多彩、漫游世界的科研生涯,海姆作了一個精彩的諾貝爾演講,取名為“隨機漫步到石墨烯”3,見圖1-2-1。海姆演講中迸發的科學精神和創新思維,令人耳目一新、腦洞大開;他風趣幽默的語言和實例,贏得笑聲不斷,掌聲一片。


海姆的“隨機漫步”,指的不僅僅是如圖1-2-1所示的地理位置上不斷變化的 “漫步”,更深一層的意思說的是他的各類科研實驗課題,在橫向思維指導下的、復雜而有趣的“漫步”。海姆的科研漫步路,證實了橫向思維的重要性。


海姆是物理學家,但他的第一個著名研究工作與青蛙有關,他和因提出幾何相而出名的物理學家邁克爾·貝里(Sir Michael Berry 1941-)一起研究“磁懸浮青蛙”,而獲得2000年的搞笑諾貝爾物理獎(Ig Nobel Prize for Physics4


大多數人知道諾貝爾獎,卻不見得知道“搞笑諾貝爾獎”;很多人都聽過“磁懸浮列車”,但卻不見得聽過“磁懸浮青蛙”。我們這位海姆,就正是以他對磁懸浮青蛙的研究,獲得了2000年的搞笑諾貝爾獎.

搞笑諾獎以怪誕卻充滿科學意義的研究出名,其實,它不僅僅是一種戲謔和調侃,而是更多地體現了學術界的一種幽默,據說其宗旨是:“首先讓你們笑,然后再讓你們思考”。搞笑諾獎的得獎者中不乏創意之人,比如海姆就肯定可以算作一個。


海姆教授是至今所有的諾獎得主中,第一位、也是唯一一位同時獲得過搞笑諾獎和真正諾獎的雙料諾獎獲獎者。那么,這磁懸浮青蛙又是怎么回事呢?


上世紀90年代,海姆從俄羅斯獲得博士學位之后,曾經一度在荷蘭奈梅亨大學作副教授。當時,他所在的實驗室最主要的設備優勢是強大的電磁鐵。這些設備能產生20特斯拉左右的磁場,但是遺憾的是,海姆當時的研究課題僅僅需要小于0.01特斯拉的微弱磁場。不過,這正好激勵了海姆的“橫向思維”,總想找出一個課題,能夠利用到如此強大的電磁場。


望著實驗室里那臺強磁場的設備,海姆靈感突發:想試驗一下水的 “逆磁性”。盡管水的磁化率很小,但在這個強大的磁場下,水有可能被磁化!那么,它磁化后的行為會如何呢?好奇心驅使海姆作了一個異乎尋常、離經叛道的操作。在某星期五的晚上,他傻傻地、慢慢地將一點點水倒進了正在產生巨大磁場的儀器里……如圖1-2-2(左)。

1-2-2:強磁場中漂浮著的水滴及其逆磁性原理


結果讓人吃驚,水并沒有從強磁鐵中流出來,而是聚集成了一個直徑大約厘米的水球,自由地懸浮在磁鐵中心,如圖1-2-2(中)所示:重力消失了,就像物體漂浮在太空中一樣!水這么微弱的逆磁效應,負磁化率H一般約為10-5,卻居然可以抵抗重力!海姆興奮了,像一個頑皮的孩子一樣,樂此不疲地繼續往磁場里“扔”東西:草莓、西紅柿、昆蟲……甚至還有青蛙!


正是這只能抵抗重力而懸浮于磁場中“飛翔的青蛙”,讓海姆和貝里贏得了2000年的搞笑諾貝爾物理獎。當初,搞笑諾貝爾獎的頒獎方,詢問海姆和貝里的意見:是否有膽量接受這個獎?他們爽快地答應了,充分體現了兩位物理學家的幽默感和自嘲的勇氣。


從這個讓青蛙飛起來的有趣實驗,海姆認識到橫向思考對科研的重要性,特別是在幫助年輕學生選擇課題時,激發他們對趣味性的追求,讓他們寓科研于娛樂,是十分重要的。有時候,嘗試做一些看起來和自己專業八竿子打不著的研究,有可能會產生非常重要而有趣的結果,從那以后,海姆開始做一些不合常規的實驗嘗試,并且稱它們為“星期五晚上的實驗”。這就是海姆在科研中的“隨機漫步”!

(未完待續)


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